JP2013127386A - Material defect detecting method - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material defect detecting method capable of efficiently detecting a signal from a defect such that the defect having a specified size is detected from a scanning range of a large area.SOLUTION: The material defect detecting method for detecting a material defect using a scanning probe microscope configured to displace a piezoelectric element by applying a drive voltage to the piezoelectric element being a fine movement piezo stage having one end fixed to a coarse movement motor-driven stage and configured to move a sample table for sample placement fixed to the other end of the piezoelectric element, comprises: moving the sample table by the fine movement piezo stage and the coarse movement motor-driven stage; and making an interval at which the fine movement piezo stage scans smaller than the size of a material defect which needs to be detected.

Description

本発明は、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとを組み合わせて、走査プローブ顕微鏡で材料欠陥を検出する方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting a material defect with a scanning probe microscope by combining a fine movement piezo stage and a coarse movement electric stage.

半導体デバイスなどで存在が許容される材料欠陥（たとえば絶縁不良部）の大きさは、電気配線や電極パッドの大きさにより異なる。したがって、プロセスを管理するためには、欠陥の大きさについて閾値を設定し、その閾値よりも大きい欠陥を有するデバイスを、不良対象として排除する必要が有る。   The size of a material defect (for example, a defective insulation portion) that is allowed to exist in a semiconductor device or the like varies depending on the size of the electrical wiring or electrode pad. Therefore, in order to manage the process, it is necessary to set a threshold value for the size of the defect and to exclude a device having a defect larger than the threshold value as a defect target.

半導体デバイスの欠陥の検出方法の一つとして、走査プローブ顕微鏡が有効である。
走査プローブ顕微鏡は、試料の表面の微細な形状を測定するだけでなく、探針と試料との間の電気的・磁気的相互作用を検出することによって、試料表面と電気特性や磁気特性との関係を測定することも可能である。この走査プローブ顕微鏡を利用すれば、半導体の電気的不良（絶縁膜の絶縁不良など）の面積や数、位置などを測定することもできる。 A scanning probe microscope is effective as one method for detecting defects in semiconductor devices.
The scanning probe microscope not only measures the fine shape of the surface of the sample, but also detects the electrical and magnetic interaction between the probe and the sample, so that It is also possible to measure the relationship. If this scanning probe microscope is used, the area, number, position, etc., of electrical failures in the semiconductor (insulation failure of the insulating film, etc.) can also be measured.

探針は、たわみ検出用レーザなどの一連の複雑な検出機構との、位置関係を確保するため、一般的には固定されており、試料の搭載されているサンプル台のほうを移動させることによって走査する。サンプル台は、隙間なく資料の全面の情報を得る目的で、非常に細かいピッチで精度よく往復運動をさせる必要がある。そのため、この往復運動を、高精度で位置制御可能なピエゾ駆動により移動を行っている。   The probe is generally fixed to ensure a positional relationship with a series of complicated detection mechanisms such as a deflection detection laser, and the probe is moved by moving the sample stage on which the sample is mounted. Scan. The sample table needs to be reciprocated with a very fine pitch with high accuracy for the purpose of obtaining information on the entire surface of the material without gaps. For this reason, the reciprocating motion is moved by piezo drive that can control the position with high accuracy.

したがって、従来の走査プローブ顕微鏡は、走査範囲、すなわちステージの移動範囲が、位置精度を確保できるピエゾスキャナの可動範囲に限られており、大きくても数１０μｍ角の面積内での走査しかできなかった。実デバイスの電気的欠陥を検出する目的の場合でも、欠陥の大きさにかかわらず、対象となる位置全面を隙間無く走査する必要があった。更に、試料チップ全体を走査するためには、ピエゾ駆動による小面積走査を何回も繰り返すしか方法がなかった。このことは、走査に過剰な時間がかかるだけではなく、走査距離が長くなることによる、探針の劣化にもつながってくる。   Therefore, in the conventional scanning probe microscope, the scanning range, that is, the moving range of the stage is limited to the movable range of the piezo scanner capable of ensuring the positional accuracy, and can only scan within an area of several tens of μm square at most. It was. Even for the purpose of detecting an electrical defect in an actual device, it is necessary to scan the entire target position without any gap regardless of the size of the defect. Further, in order to scan the entire sample chip, there is only a method of repeating small area scanning by piezo driving many times. This not only takes excessive time for scanning, but also leads to deterioration of the probe due to a long scanning distance.

特開２００７−３０９９１９号公報JP 2007-309919 A

この問題を鑑み、特許文献１においては、探針で試料表面を走査し、探針と試料表面との間に働く相互作用を検出する走査プローブ顕微鏡において、粗動ステージと微動ステージとを用いて、広範囲に試料を走査することが開示されている。しかし、この方法でも、試料表面の全域を走査しようとしているので、
その検出時間は膨大なものとなる。 In view of this problem, Patent Document 1 uses a coarse movement stage and a fine movement stage in a scanning probe microscope that scans a sample surface with a probe and detects an interaction between the probe and the sample surface. Scanning a sample over a wide area is disclosed. However, this method is also trying to scan the entire surface of the sample surface.
The detection time is enormous.

そこで、本発明の目的は、特定の大きさの欠陥を、大面積の走査範囲から検出するために、効率的に欠陥からの信号を検出することを可能にする材料欠陥検出方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a material defect detection method capable of efficiently detecting a signal from a defect in order to detect a defect of a specific size from a large area scanning range. It is in.

本発明によれば、上記の課題を解決するために、
一端が粗動電動ステージに固定された、微動ピエゾステージである圧電素子に、駆動電圧を与えることにより該圧電素子を変位させ、該圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用のサンプル台を移動させるようにした、走査型プローブ顕微鏡を用いて材料欠陥を検出する材料欠陥検出方法において、
サンプル台を、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとで動かすとともに、微動ピエゾステージにより走査する間隔を、検出する必要の有る材料欠陥の大きさよりも小さい間隔とすることとする。 According to the present invention, in order to solve the above problems,
A sample stage for mounting a sample attached to the other end of the piezoelectric element by displacing the piezoelectric element by applying a driving voltage to a piezoelectric element that is a finely moving piezo stage, one end of which is fixed to the coarse motion electric stage. In the material defect detection method for detecting a material defect using a scanning probe microscope,
The sample stage is moved by the fine movement piezo stage and the coarse movement electric stage, and the scanning interval by the fine movement piezo stage is set to be smaller than the size of the material defect that needs to be detected.

ここで、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するドット状パターンで行われること、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するライン状パターンで行われること、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有する格子状パターンで行われることが好ましい。   Here, scanning by the fine movement piezo stage is performed in a dot pattern having a constant interval, scanning by the fine movement piezo stage is performed in a line pattern having a constant interval, scanning by the fine movement piezo stage is performed, It is preferable to carry out in a lattice pattern having a constant interval.

本発明によれば、走査プローブ顕微鏡を用いて、たとえば半導体デバイスの電気特性の測定を、測定対象面に対して、微動ピエゾステージを、決められたピッチで粗く間歇的に測定することにより、短時間で、ピッチに応じた特定の大きさの欠陥のみを、迅速に測定することができる。   According to the present invention, the measurement of electrical characteristics of a semiconductor device, for example, by using a scanning probe microscope can be performed by measuring a fine movement piezo stage roughly and intermittently at a predetermined pitch with respect to a measurement target surface. In time, only defects of a specific size depending on the pitch can be measured quickly.

本発明で使用する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus used by this invention. 微動ピエゾステージをドット状に走査したときの欠陥検出の説明図である。It is explanatory drawing of a defect detection when a fine movement piezo stage is scanned in the shape of a dot. 微動ピエゾステージをライン状および格子状に走査したときの欠陥検出の説明図である。It is explanatory drawing of a defect detection when a fine movement piezo stage is scanned to a line form and a grid | lattice form. 欠陥の座標決定のフローの概念図である。It is a conceptual diagram of the flow of the coordinate determination of a defect.

［実施例１］
実施例１として、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスにおけるゲート酸化膜の欠陥検出例を示す。 [Example 1]
As Example 1, an example of detecting a defect of a gate oxide film in a Si-MOSFET semiconductor device is shown.

実施例１のデバイスでは、チップ全体の大きさを３ｍｍ×３ｍｍ、チップ内に配置されたゲート電極の占める大きさを２０μｍ×２０μｍとし、φ２μｍ以上の絶縁異常箇所を不良と判定し、位置と個数とを抽出するものである。   In the device of Example 1, the size of the whole chip is 3 mm × 3 mm, the size occupied by the gate electrode arranged in the chip is 20 μm × 20 μm, and an insulation abnormality location of φ2 μm or more is determined as defective, and the position and number Are extracted.

図１に示すように、デバイス１は、走査プローブ顕微鏡中の微動用３軸ピエゾスキャナ２と接続した導電性サンプル台３に固定され、更にピエゾスキャナ（圧電素子）２は、粗動用ｘ−ｙ電動ステージ４に搭載されている。ピエゾスキャナ２の一端は、電動ステージ上に固定されており、圧電素子に電圧が印加されることで、上面がｘ、ｙ、ｚの３軸に対して精度よく移動することが可能になっている（移動範囲は３０μｍ×３０μｍ〜１００μｍ×１００μｍである。）。   As shown in FIG. 1, the device 1 is fixed to a conductive sample stage 3 connected to a fine-motion triaxial piezo scanner 2 in a scanning probe microscope, and the piezo-scanner (piezoelectric element) 2 is used for coarse motion xy. It is mounted on the electric stage 4. One end of the piezo scanner 2 is fixed on an electric stage. By applying a voltage to the piezoelectric element, the upper surface can move with respect to the three axes x, y, and z with high accuracy. (The moving range is 30 μm × 30 μm to 100 μm × 100 μm).

電動ステージ４には、ステッピングモータが搭載されており、ｘ−ｙ平面を長距離で移動可能である（移動範囲は１０ｃｍ〜１５ｃｍ×１０ｃｍ〜１５ｃｍである。）。
マイクロ加工された導電性探針５は、移動機構を持たず、電動ステージ４とピエゾスキャナ２の移動によって、デバイスとの相対位置を変化させるものである。なお、探針は、たとえば、シリコンの細い針（先端径φ十数ｎｍ）に、ロジウムをコートしたものである。 The electric stage 4 is equipped with a stepping motor and can move on the xy plane over a long distance (the moving range is 10 cm to 15 cm × 10 cm to 15 cm).
The micro-processed conductive probe 5 does not have a moving mechanism, and changes the relative position with the device by the movement of the electric stage 4 and the piezo scanner 2. The probe is, for example, a thin silicon needle (tip diameter φ tens nm) coated with rhodium.

探針５とデバイス１との間は、サンプル台３を介して電気的に接合されており、直流電源６および抵抗７、電流計８を中間に配置することによって、探針５とデバイス１との間に定電圧を印加した場合の電流が測定される。更に、電流を測定しながら電動ステージ４とピエゾスキャナ２の位置を移動させることによって、デバイス上の異なる点における電流値を測定することができる。   The probe 5 and the device 1 are electrically connected to each other via the sample table 3, and the probe 5 and the device 1 are arranged by arranging the DC power source 6, the resistor 7, and the ammeter 8 in the middle. The current when a constant voltage is applied during is measured. Furthermore, the current values at different points on the device can be measured by moving the positions of the electric stage 4 and the piezo scanner 2 while measuring the current.

電動ステージ４の位置は、装置の基準位置を基準とした座標情報として、ソフトウェアで管理され、ピエゾスキャナ２もまた、電動ステージ４の基準位置に対する座標情報として管理される。この両者をソフトウェア上で結合することで、デバイス１の位置も装置基準位置に対する座標として数値化される。したがって、探針５とデバイス１との間を流れる電流値は、位置情報を伴ったものになり、欠陥の大きさや位置の特定をすることが可能になる。この、座標決定フローの概念図を図４に示す。   The position of the electric stage 4 is managed by software as coordinate information based on the reference position of the apparatus, and the piezo scanner 2 is also managed as coordinate information with respect to the reference position of the electric stage 4. By combining the two on software, the position of the device 1 is also digitized as coordinates with respect to the apparatus reference position. Therefore, the value of the current flowing between the probe 5 and the device 1 is accompanied by position information, and the size and position of the defect can be specified. A conceptual diagram of this coordinate determination flow is shown in FIG.

図４において、先ず、基準位置を決定する。すなわち、粗動ステージ可動範囲内の基準点（０，０）を決定する。次に計算機（パソコンなど）を用いた移動制御に移る。まず第１ステップとして、粗動電動ステージ４の可動範囲内の座標Ａ（Ｘ１，Ｙ１）へ移動する。次に第２ステップで、Ａを基準として微動ステージ２が可動範囲内の座標（Ｘ１’，Ｙ１’）に移動する。ここで統一座標（絶対座標）（Ｘ，Ｙ）は、（（Ｘ１+Ｘ１’），（Ｙ１+Ｙ１’）である。そして第３ステップで、再び粗動ステージ４を動かし、粗動ステージ４の可動範囲内の座標Ｂ（Ｘ２，Ｙ２）に移動する。最後に第４ステップで、更に微動ステージ２をＢを基準として可動範囲内の座標（Ｘ２’，Ｙ２’）に移動させる。このときの統一座標（絶対座標）（Ｘ，Ｙ）は（（Ｘ２+Ｘ２’），（Ｙ２+Ｙ２’））である。このデータを、ＰＣで統一座標に変換し、欠陥の検出状況を描画する。   In FIG. 4, first, a reference position is determined. That is, the reference point (0, 0) within the coarse movement stage movable range is determined. Next, the movement control using a computer (such as a personal computer) is started. First, as a first step, the movement to the coordinate A (X1, Y1) within the movable range of the coarse motion electric stage 4 is performed. Next, in a second step, fine movement stage 2 moves to coordinates (X1 ', Y1') within the movable range with reference to A. Here, the unified coordinates (absolute coordinates) (X, Y) are ((X1 + X1 ′), (Y1 + Y1 ′)) In the third step, the coarse movement stage 4 is moved again, and the coarse movement stage 4 Finally, in the fourth step, the fine movement stage 2 is further moved to the coordinates (X2 ′, Y2 ′) within the movable range with reference to B. (X, Y) is ((X2 + X2 ′), (Y2 + Y2 ′)) This data is converted to a unified coordinate by a PC, and the defect detection status is drawn. .

なお、座標が数値化されることを利用して、移動情報を座標指定すれば、任意のパターンでの試料移動、すなわち走査が可能となる。特に、移動距離によって、ピエゾスキャナ２の微動と電動ステージ４の粗動を組み合わせることで、大面積の走査もカバーすることができる。   In addition, if the coordinates of movement information are designated by utilizing the fact that the coordinates are converted into numerical values, the sample can be moved, that is, scanned in an arbitrary pattern. In particular, scanning of a large area can be covered by combining fine movement of the piezo scanner 2 and coarse movement of the electric stage 4 depending on the moving distance.

図２（ａ）に示すように、小さい欠陥９や大きい欠陥１０を有する酸化膜表面を、ドット状パターン１１で間歇的に（間隔をおいて）走査しつつ電気特性を測定した場合、異常が検出された隣接ドット数と欠陥の大きさとの間には相関がある。たとえば、１μｍピッチのドット状パターン１１で間歇的に走査した場合、検出点が１点のみの場合の欠陥の直径ｄは０＜ｄ＜２（μｍ）であり、検出点が４点の場合は、１．４＜ｄ＜３（μｍ）である（図２（ｂ）中の４点検出される場合の最大欠陥１２および４点検出される場合の最小欠陥１３参照。）。   As shown in FIG. 2A, when the electrical characteristics are measured while intermittently (intervaling) scanning the surface of the oxide film having the small defect 9 and the large defect 10 with the dot-like pattern 11, abnormalities are observed. There is a correlation between the number of detected adjacent dots and the size of the defect. For example, when the dot-shaped pattern 11 having a pitch of 1 μm is scanned intermittently, the defect diameter d when only one detection point is 0 <d <2 (μm), and when the number of detection points is four, 1.4 <d <3 (μm) (see the maximum defect 12 when four points are detected and the minimum defect 13 when four points are detected in FIG. 2B).

このように、パターンのピッチと検出点の個数とから、欠陥の大きさが推定できる。
ここで、抽出対象とする欠陥の大きさをφ２μｍ以上とする場合、ドット状パターン１１での検出において、ドット状パターン１１の１点のみの範囲である欠陥は、検出対象とする欠陥の大きさよりも小さいものとして自動的にふるい落とされ、２点以上の欠陥の場合は、ドット状パターン１１間のピッチが１μｍなので、欠陥の大きさが２μｍであれば、ドット状パターン２つを必ず含む欠陥が、検出される候補として残る。ついで、測定ピッチを１．４μｍで走査すれば、４点検出される欠陥の大きさは２＜ｄ＜４．２（μｍ）となるため、候補の中から、さらにふるいわけをすることができる。
［実施例２］
サンプル、装置構成は実施例１と同じである。 Thus, the size of the defect can be estimated from the pattern pitch and the number of detection points.
Here, when the size of the defect to be extracted is set to φ2 μm or more, in the detection with the dot pattern 11, the defect that is in the range of only one point of the dot pattern 11 is more If the size of the defect is 2 μm, the defect always includes two dot-shaped patterns. In the case of two or more defects, the pitch between the dot-shaped patterns 11 is 1 μm. Remain as candidates to be detected. Next, if the measurement pitch is scanned at 1.4 μm, the size of the defect detected at 4 points becomes 2 <d <4.2 (μm), and therefore, further screening can be performed from the candidates.
[Example 2]
The sample and apparatus configuration are the same as those in the first embodiment.

本実施例では、微動ピエゾステージによる走査の仕方が実施例１とは異なる。すなわち、実施例１のドット状とは異なり、ライン状に走査する。
小さい欠陥９や大きい欠陥１０を有する酸化膜表面を、ライン状パターン１４で、図３（ａ）に示すように、間歇的に走査しつつ電気特性を測定した場合、欠陥上を横切るラインには、欠陥の大きさに対応して、連続的な電流の増大が観察される。もっとも長距離な電流増大が見られるラインが、欠陥の真の直径にもっとも近いものとなる。ふるい落としたい欠陥径（この場合２μｍ）の幅でライン走査をすれば、２μｍ以上の径を持つ欠陥を検出することができる。
［実施例３］
サンプル、装置構成は実施例１と同じである。 In this embodiment, the scanning method by the fine movement piezo stage is different from that in the first embodiment. That is, unlike the dot shape of the first embodiment, scanning is performed in a line shape.
When the electrical characteristics are measured while intermittently scanning the surface of the oxide film having the small defect 9 and the large defect 10 with the line pattern 14 as shown in FIG. A continuous increase in current is observed corresponding to the size of the defect. The line with the longest current increase is the closest to the true diameter of the defect. If line scanning is performed with a width of a defect diameter to be screened (in this case, 2 μm), a defect having a diameter of 2 μm or more can be detected.
[Example 3]
The sample and apparatus configuration are the same as those in the first embodiment.

本実施例では、微動ピエゾステージによる走査の仕方が実施例１、２とは異なる。すなわち、図３（ｂ）に示すように、本実施例では、格子状に走査する。
小さい欠陥９や大きい欠陥１０、ならびに長いスクラッチ状の欠陥１５を有する酸化膜表面を、格子状パターン１６により間歇的に走査して電気特性を測定した場合、欠陥上を横切るラインには、欠陥の大きさに対応して、連続的な電流の増大が観察される。もっとも長距離な電流増大が見られるラインが欠陥の真の直径にもっとも近いものとなる。ふるい落としたい欠陥径（この場合２μｍ）の幅でライン走査をすれば、これ以上の径を有する欠陥を検出することが可能である。また隣接するラインで、連続的に点状に現れる電流増大部は、ラインとスクラッチとによるものと判定され、増大部の位置と点数とから、スクラッチの角度と長さとが推定される。ラインに平行なスクラッチの検出漏れは、本実施例では格子状の走査（９０°回転させた２回のライン走査）を行っているので、防止することができる。この点が本実施例の特徴である。 In this embodiment, the scanning method by the fine movement piezo stage is different from those in the first and second embodiments. That is, as shown in FIG. 3B, in this embodiment, scanning is performed in a grid pattern.
When the electrical characteristics are measured by intermittently scanning the surface of the oxide film having the small defect 9 and the large defect 10 and the long scratch-like defect 15 with the lattice pattern 16, the line crossing over the defect has a defect. Corresponding to the magnitude, a continuous current increase is observed. The line with the longest current increase is the closest to the true diameter of the defect. If line scanning is performed with a width of a defect diameter to be screened (in this case, 2 μm), it is possible to detect a defect having a larger diameter. In addition, the current increasing portion that appears continuously in the form of dots in adjacent lines is determined to be due to the line and scratch, and the angle and length of the scratch are estimated from the position and the number of the increasing portion. The detection omission of scratches parallel to the line can be prevented because in this embodiment, a grid-like scan (two line scans rotated by 90 °) is performed. This is a feature of this embodiment.

１ 半導体デバイス
２ 微動用ピエゾスキャナ（圧電素子）
３ 導電性サンプル台
４ 粗動用電動ステージ
５ 導電性探針
６ 直流電源
７ 抵抗
８ 電流計
９ 小さい欠陥
１０ 大きい欠陥
１１ ドット状走査パターン
１２ ４点検出される場合の最大欠陥
１３ ４点検出される場合の最小欠陥
１４ ライン状走査パターン
１５ スクラッチ状欠陥
１６ 格子状走査パターン 1 Semiconductor Device 2 Piezo Scanner for Fine Movement (Piezoelectric Element)
3 Conductive sample base 4 Coarse motion electric stage 5 Conductive probe 6 DC power supply 7 Resistance 8 Ammeter 9 Small defect 10 Large defect 11 Dot-shaped scanning pattern 12 Maximum defect 13 when four points are detected When four points are detected Minimum defect 14 Line scan pattern 15 Scratch defect 16 Lattice scan pattern

Claims (4)

一端が粗動電動ステージに固定された、微動ピエゾステージである圧電素子に、駆動電圧を与えることにより該圧電素子を変位させ、該圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用のサンプル台を移動させるようにした、走査型プローブ顕微鏡を用いて材料欠陥を検出する材料欠陥検出方法において、
サンプル台を、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとで動かすとともに、微動ピエゾステージにより走査する間隔を、検出する必要の有る材料欠陥の大きさよりも小さい間隔とすることを特徴とする材料欠陥検出方法。 A sample stage for mounting a sample attached to the other end of the piezoelectric element by displacing the piezoelectric element by applying a driving voltage to a piezoelectric element that is a finely moving piezo stage, one end of which is fixed to the coarse motion electric stage. In the material defect detection method for detecting a material defect using a scanning probe microscope,
A material defect detection method characterized in that the sample stage is moved by a fine movement piezo stage and a coarse movement electric stage, and the interval of scanning by the fine movement piezo stage is set to be smaller than the size of the material defect that needs to be detected. . 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するドット状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。 2. The material defect detection method according to claim 1, wherein the scanning by the fine movement piezo stage is performed in a dot pattern having a constant interval. 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するライン状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。 2. The material defect detection method according to claim 1, wherein scanning by the fine movement piezo stage is performed in a line pattern having a constant interval. 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有する格子状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。 2. The material defect detection method according to claim 1, wherein scanning by the fine movement piezo stage is performed in a lattice pattern having a constant interval.